示波器有很多不同規格，確定了可捕獲和測量信號的準確度。但是示波器的主要規格是其帶寬。在電子工程在校學生實驗中使用的示波器可能具有足夠的帶寬，可供教授將分配的大多數 （如果不是全部）實驗使用。當您最終完成電子工程課程，進入電子行業工作時，很可能您需要從您公司的儀器池中選擇一個示波器來對您的設計執行測試，或者可能被委派對各種要采購的示波器進行評估。本示波器帶寬教程將為您提供一些有益的提示，告訴您如何選擇具備數字和模擬應用的適當帶寬的示波器。但是首先，讓我們來定義示波器帶寬。

什么叫示波器帶寬？示波器帶寬的定義

所有示波器都具有以較高頻率展示的低通頻率響應，如下圖所示。大多數帶寬規格為 1 GHz 以及更低的示波器通常具有高斯頻率響應。示波器高斯頻率響應近似于單極點低通濾波器，即您可能已在某些電路課程中學過而且可能繪制為波特圖的一些內容。

示波器高斯頻率響應

按 3 dB 衰減輸入信號的最低頻率被視為示波器的帶寬 (fBW)。以 -3 dB 頻率執行信號衰減會轉換為約 -30% 幅度誤差。換句話說，如果將 1 Vp-p、100 MHz 正弦波輸入 100 MHz 帶寬示波器中，則使用此示波器測量的峰峰值電壓會在約 700 mVp-p (-3 dB = 20 Log [0.707/1.0]) 的范圍內。因此，您無法對示波器帶寬周圍具有超高頻率的信號執行準確測量。

與示波器的帶寬規格密切相關的是其上升時間規格。具有高斯類型的頻率響應的示波器的上升時間約為 0.35/fBW （基于 10% 至 90% 標準）。但是，您需要記住，示波器的上升時間不是示波器能夠準確測量的最快邊沿速度。而是當輸入信號具有理論上無限快的上升時間 (0 ps) 時，示波器可能產生的最快邊沿速度。盡管從實際角度看，這一理論規格無法測試 （由于脈沖發生器不具備無限快速邊沿），但是您可以通過輸入邊沿速度比示波器的上升時間規格快 5 到 10 倍的脈沖，來測試示波器的上升時間。

模擬應用所需的帶寬

多年前，大多數示波器供應商建議示波器的帶寬至少應比最大輸入信號頻率高三倍。這一經驗法則建議可能是您的教授想起來的。盡管此“3 倍”倍加系數不適用于基于時鐘頻率或邊沿速度的數字應用，但是仍然適用于模擬應用，如調制 RF。要了解此 3:1 倍加系數從何而來，請看 1 GHz 帶寬示波器的實際頻率響應。

下圖 顯示 Keysight 1 GHz 帶寬示波器上測量的頻率響應測試（1 MHz 到 2 GHz）。正如您看到的，測量的輸出 （示波器顯示屏上的波形）以恰好 1 GHz 的頻率按稍小于 3 dB (Vo/Vi > 0.7) 的幅度衰減。要對模擬信號執行準確測量，您需要在頻率波段中仍相對平坦且衰減最少的部分使用示波器。在示波器的 1 GHz 帶寬的大約三分之一處，此示波器展現的衰減非常小 (-0.2 dB)。

Keysight 1 GHz 帶寬示波器的實際頻率響應

數字應用所需的帶寬

目前的絕大多數電子工程畢業生在進入電子行業工作時，都會關注數字設計應用領域。每秒數千兆位范圍內的數字時鐘頻率和串行數據鏈路在今天非常普遍。

示波器帶寬經驗法則

作為經驗法則，示波器的帶寬應至少比測試系統中的最快數字時鐘頻率高五倍。如果示波器符合此標準，則最高可捕獲信號衰減最小的第五諧波。在確定數字信號的整體形狀方面，此信號分量非常重要。

但是，如果需要對高速邊沿執行準確測量，這一簡單公式不會涉及上升沿和下降沿中嵌入的實際最高頻率分量。

步驟 1：確定最快實際邊沿速度

用于確定所需示波器帶寬的一種更準確的方法是確定數字信號中存在的最大頻率，而不是最大時鐘頻率。最大頻率將基于設計中最快的邊沿速度。因此，首先需要做的就是確定最快信號的上升和下降時間。通常可從在設計中使用的設備的已發布規格中獲得此信息。

步驟 2：計算 f knee

隨后您可以使用簡單的公式計算最大“實際”頻率分量。Dr. Howard W. Johnson 就這個主題寫了一本書 《High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》。1 他將此頻率分量稱為“拐點”頻率 (fknee)。所有快速邊沿都具有無限連續的頻率分量。但是，快速邊沿的頻譜中存在一個轉折點 （或“拐點”），在這個轉折點上，高于 f knee 的頻率分量在確定信號形狀時可以忽略不計。

對于具有上升時間特征的信號（基于 10% - 90% 閾值），f knee 等于 0.5 除以信號的上升時間所得的結果。對于目前的許多設備規格中極為普遍且具有上升時間 特征的信號（基于 20% - 80% 閾值），f knee 等于 0.4 除以信號的上升時間所得的結果。現在，請不要將這些上升時間與示波器指定的上升時間混淆。我們討論的是實際信號邊沿速度。

步驟 3：計算示波器帶寬

第三步是根據在測量上升和下降時間時所需的準確度，確定測量此信號所需的示波器帶寬。Table 2 顯示了具有高斯頻率響應的示波器的各種準確度的倍加系數。

示例

現在，我們來演練這一簡單示例：

如果信號的近似上升／下降時間為 1 ns（基于 10% 到 90% 的標準），則信號中的最大實際頻率分量 (fknee) 約為 500 MHz。

如果在對信號執行參數化上升時間和下降時間測量時最多可容許 20% 的定時錯誤，則可以對數字測量應用使用 500 MHz 帶寬示波器。但是，如果需要的定時準確度在 3% 范圍之內，則具有 1 GHz 帶寬的示波器為更好的選擇。

現在，讓我們使用各種帶寬示波器對具有本示例類似特征的數字時鐘信號執行某些測量.

數字時鐘測量比較

下圖 顯示使用 100 MHz 帶寬示波器測量具有快速邊沿速度的 100 MHz 數字時鐘信號時產生的波形。正如您所看到的，此示波器主要對此時鐘信號的 100 MHz 基礎頻率執行直通，因此將時鐘信號表示為近似正弦波。100 MHz 示波器可能是適用于時鐘頻率在 10 MHz 到 20 MHz 范圍內的許多基于 MCU 的 8 位設計的理想解決方案，但是，對于這種 100 MHz 數字時鐘信號，100 MHz 帶寬顯然不足。

在 100 MHz 帶寬示波器上捕獲的 100 MHz 數字時鐘信號

在使用 500 MHz 帶寬示波器的情況下，下圖 顯示了此示波器最高可捕獲第五諧波，即我們的第一個經驗法則建議。但是，當我們測量上升時間時，會看到示波器測量結果約為 750 ps。在這種情況下，示波器沒有對此信號的上升時間執行非常準確的測量。示波器實際上是測量與其自身的上升時間 (700 ps) 較為接近的值，而不是輸入信號的上升時間 （較接近 500 ps）。如果定時測量非常重要，我們需要對此數字測量應用使用更高帶寬的示波器。

在 100 MHz 帶寬示波器上捕獲的 500 MHz 數字時鐘信號

當我們使用 1 GHz 帶寬示波器捕獲此 100 MHz 數字時鐘時，結果是我們會立即擁有此信號較為準確的圖片，如下圖 所示。我們可以測量更快的上升和下降時間，觀察較少的過沖，甚至可以觀察較低帶寬示波器屏蔽的微小反射。

在 1 GHz 帶寬示波器上捕獲的 100 MHz 數字時鐘信號

本示波器帶寬相關教程著重介紹展現高斯頻率響應的示波器，即具有 1 GHz 以及更低帶寬規格的示波器中的典型。許多較高帶寬示波器展現的頻率響應具備較為明顯的展示特征。使用此類頻率響應時，段內頻率 （低于 -3 dB 的頻率）衰減較少，而段外頻率 （高于 -3 dB 的頻率）抑制為較高程度。此類頻率響應（一開始便可達到近似的理想“磚墻”過濾器）有時稱為“最平”頻率響應。用于計算這些較高帶寬示波器上所需的示波器帶寬 (> 1 GHz) 的公式與本教程指南中提供的公式不同。